2023年新教材高中物理认识传感器讲义新人教版选择性必修第二册

1．认识传感器
1．知道非电学量转换成电学量的技术意义。

2．了解传感器在生产生活中的应用。

3．深入认识物理学对现代生活和科技发展的促进作用。

知识点 1 神奇的传感器
1．传感器的应用实例
(1)楼道的灯安装了“声控—光控”开关。

这个开关会感知环境的明暗和声音的强弱。

(2)自动门装有一种装置，这种装置就是红外线传感器。

(3)酒精检测仪上装有“乙醇传感器”，它能感知乙醇的浓度。

2．传感器：能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出的一类器件或装置。

3．非电学量转换为电学量的意义：把非电学量转换成电压、电流等电学量，或转换为电路的通断，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。

知识点 2 传感器的种类
1．物理传感器
根据物质的物理特性或物理效应制作而成，如力传感器、磁传感器、声传感器等。

2．化学传感器
利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号，如离子传感器、气体传感器等。

3．生物传感器 利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质，如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等。

知识点 3 传感器的组成与应用模式
1．传感器的基本部分：由敏感元件、转换元件组成。

2．传感器原理：传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。

3．传感器应用的一般模式
――→被测量[敏感元件]→[转换元件]――→电信号[信号调整与转换电
路]→⎩⎪⎨⎪⎧ 执行机构显示器指针式电表或数字屏
计算机系统
探究
神奇的传感器 ┃┃情境导入__■
如图，机器人在踢足球，机器人就是通过传感器“看到”事物的。

想一想，传感器的作用是什么？
提示：传感器就像人的眼睛、耳朵、鼻子一样，接收外界的光、声音、温度等信息并把它们转换为便于测量、传输、处理和控制的电学量(电压、电流)。

┃┃要点提炼__■
1．传感器的作用：能像人的感觉器官那样感受外界信息，并能按照一定的规律和要求，把这些信息转换成可用的输出信息的器件和装置，叫作传感器。

传感器是各种测量和自动控制系统的“感觉器官”。

2．传感器的分类
(1)按工作原理分：电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。

(2)按感受物理量分：力、速度、位移、温度、流量、烟雾等传感器。

(3)按输出信号分：开关型、模拟型、数字型传感器。

(4)根据检测量的不同，可将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

┃┃典例剖析__■
典例1 下列情况中，应用了温度传感器的是( D )
A ．商场里的自动玻璃门
B ．夜间自动打开的路灯
C ．夜间有声音时就亮的楼梯灯
D ．自动恒温冰箱
思路引导：解答此类题目的关键是明确传感器的定义及传感器的工作原理，传感器是将感受到的非电学量转换成电学量，再经过放大，最后送给控制系统产生各种控制作用的器件或装置。

解析：商场里的自动玻璃门是应用了红外线传感器， A错误；夜间自动打开的路灯是利用了光传感器，B错误；夜间有声音时就亮的楼梯灯是利用了“光、声”传感器，C错误；自动恒温冰箱是利用了温度传感器，D正确。

┃┃对点训练__■
1．光电式感烟探测器(简称烟感器)由光源、光电元件和电子开关组成。

利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。

该报警器利用的传感器是( D )
A．力传感器B．声传感器
C．位移传感器D．光传感器
解析：该报警器利用的是光传感器。

探究
传感器的组成及工作过程
┃┃情境导入__■
干簧管结构：如图甲所示，它只是玻璃管内封入的两个软磁性材料制成的簧片。

将干簧管接入图乙电路，当磁铁靠近干簧管时：会发生什么现象，为什么？干簧管的作用是什么？
提示：灯泡会亮，因为当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通；干簧管起到开关的作用，是一种能够感知磁场的传感器。

┃┃要点提炼__■
1．传感器的组成
(1)敏感元件
相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。

(2)转换元件
是传感器中能将敏感元件输出的，与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。

(3)转换电路
是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻
等。

2．工作过程
非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
┃┃典例剖析__■
典例2 (多选)如图所示是一种油箱内油面高度检测装置的示意图。

图中油量表由电流表改装而成，金属杠杆的一端接浮标，另一端触点O接滑动变阻器R。

当油箱内油面下降时，下列分析正确的有( BD )
A．触点O向下滑动
B．触点O向上滑动
C．电路中的电流增大了
D．电路中的电流减小了
思路引导：分析传感器时要明确的问题
(1)核心元件是什么；
(2)是怎样将非电学量转化为电学量的；
(3)是如何显示或控制开关的。

解析：当油箱内油面下降时，浮标下降，由杠杆可以看出触点O向上滑动，变阻器R 的阻值变大，电流减小，所以选项B、D正确。

┃┃对点训练__■
2．(多选)某同学发现他家居住的楼房中，楼梯上的过道灯在夜晚天黑时，用力拍掌就亮了，而白天怎样用力拍掌，灯都不能亮。

后来老师告诉他：过道灯是由声传感器和光传感器共同来控制的，其原理如图所示。

下列关于声传感器和光传感器的说法正确的是( BC )
A．白天有光照时，光传感器自动闭合
B．夜晚无光照时，光传感器自动闭合
C．有人走动发出声音时，声传感器自动闭合
D．无人走动没有声音时，声传感器自动闭合
解析：白天有光照时，光传感器自动断开，故A错误；夜晚无光照时，光传感器自动闭合，故B正确；有人走动发出声音时，声传感器自动闭合，故C正确；无人走动没有声音时，声传感器自动断开，故D错误。

核心素养提升
声传感器——电容式话筒
1．话筒
把声音信号转换成电信号的传感器。

2．结构组成
如图所示为电容式话筒的组成结构示意图。

话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层。

膜后相距几十微米有一个金属片(固定电极)，它们构成电容器的两个极板。

3．工作原理
电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离的关系来工作。

案例(多选)电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示。

Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。

当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流。

在膜片向右运动的过程中 ( AC )
A．电容变大B．电容变小
C．导线AB中有向左的电流D．导线AB中有向右的电流
解析：声波使膜片向右振动，MN间距减小，电容变大，A正确，B错误；由Q＝CU知：C变大，若U不变，则Q变大，继续充电，则导线AB中有向左的电流，C正确，D错误。

1．(多选)陶瓷传感器可以用于分析气体中酒精蒸气的含量，常用于检查酒后驾驶的人员。

如果司机饮酒，血液中的酒精成分会扩散到呼出的气体中，呼出的气体喷吹传感器，传感器的电阻将随酒精蒸气浓度发生相应的变化，从而可以检测血液中的酒精含量。

某种陶瓷气敏传感器的电导(即电阻的倒数)与气体中酒精蒸气浓度C的关系如图甲所示。

现用其组成如图乙所示的检测电路(电池内阻为r，电流表内阻不计)。

对此，以下说法正确的是( BD )
A．此陶瓷气敏传感器的电阻与气体中酒精蒸气的浓度成正比
B．气体中酒精蒸气的浓度越大，则电流表指针偏转的角度越大
C．气体中酒精蒸气的浓度越大，则电池的路端电压越小，电阻R0两端的电压也越小D．电池用的时间长了，电动势降低，内阻变大，则会导致测得的酒精浓度偏低
解析：由图传感器的电阻与气体中酒精蒸汽的浓度成反比，故A错误；因为酒精蒸气的浓度C越大，电阻越小，电流越大，故B正确；酒精蒸气的浓度C越大，电阻越小，电流越大，路端电压越小，R0电压越大，故C错误；若电池时间长了，电动势变小，内阻变大，则同样电流时，气敏传感器的电阻大，测量的C变小，故D正确。

2．目前许多手机都有指纹解锁功能，常用的指纹识别传感器是电容式传感器，如图所示。

指纹的凸起部分叫作“嵴”，凹下部分叫作“峪”，传感器上有大量面积相同的小极板，当手指贴在传感器上时，这些小极板和与之正对的皮肤表面就形成了大量的小电容器，由于距离不同，所以这些小电容器的电容不同。

此时传感器给所有的小电容器充电达到某一电压值，然后开始放电，其中电容值较小的小电容器放电较快，于是根据放电快慢的不同，就可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹的图像数据。

根据以上信息，下列说法中正确的是( C )
A．在峪处形成的小电容器电容较大
B．在峪处形成的小电容器放电较慢
C．在嵴处形成的小电容器充电后带电荷量较大
D．潮湿的手指对指纹识别没有任何影响
解析：在峪处，小极板和正对的皮肤表面的距离变大，根据C＝εr S
4πkd
可知形成的电容
器电容较小。

A错；电容值小的电容器放电较快，在峪处形成的小电容器电容较小，放电较快。

B错；充电后在嵴处形成的小电容器电容较大，根据Q＝CU可知电容器的电荷量较大。

C对；潮湿的手指会使表皮有皱褶，影响指纹识别的效果。

D错。

3．(多选)振弦型频率传感器的结构如图所示，它由钢弦和永磁铁两部分组成，钢弦上端固定，下端与一膜片相连接，弦上的张力越大，弦的固有频率越大，这种装置可以从线圈输出电压的频率确定膜片处的压力的变化，下列说法正确的是( BC )
A．当软铁块与磁铁靠近时，a端电势高
B．当软铁块与磁铁靠近时，b端电势高
C．膜片上的压力较小时，线圈中感应电动势的频率较高
D．膜片上的压力较大时，线圈中感应电动势的频率较高
解析：当软铁块与磁铁靠近时，软铁会磁化，穿过线圈的磁通量变大，根据楞次定律，感应电流磁场方向与原磁场方向相反，线圈中的原磁场向左，故感应电流磁场向右，据安培定则可知电流从b点流出，故b点的电势较高，故A错误，B正确；膜上的压力较小时，弦的张力越大，弦的振动频率变大，磁通量变化频率大，感应电流频率越高，故C正确；膜上的压力较大时，弦的张力越小，弦的振动频率变小，磁通量变化频率小，感应电流频率越低，故D错误。